揭秘|氧化锆陶瓷为何独受智能手机青睐？
你以为陶瓷手机真的摔不破吗？一个陶瓷材料的设计师，会告诉你，不，陶瓷材料耐摔，但它不是钢铁人，而且一旦摔坏后，很难再修复。
本文来自专题报告：氧化锆陶瓷材料 - 陶瓷的钢铁人。下面将从氧化锆陶瓷最基本的性质说起，看起来和CMF设计师无关，但当CMF设计师掌握了这些机理时，对于陶瓷的应用才能说是如鱼得水。
如果对前面的理论不感兴趣，也可以一拖到底看结论~
陶瓷虽好，但也适才适用哦！
作者: 邱耀弘博士 (Dr. Q)
ACMT 材料科学技术委员会主任委员/粉末注射成形委员会副主任委员
兼任中国粉末注射成形联盟(PIMA-CN)轮值主席
以下是报告正文，希望对想了解陶瓷材料的设计师们有专业性指导帮助！
想象一下，一个摔不破的陶瓷，很迷人的说法，不是嘛？但是真的吗？这个答案在理论上就已经是不正确的。
陶瓷材料也好，金属材料也好，在物理量施加的特殊情况(例如极快速的冲击、很低的温度)下都有可能产生破裂，任何材料在加厚或是减薄到某一程度，机械性能上的表现都会产生与通常条件下有所差异。
因此我们仅能够以相对强度高于其他陶瓷材料，甚至略超过其他性脆的金属来强调氧化锆陶瓷的优势，但不要把它神话化了。
现在，为您介绍陶瓷材料中被称为陶瓷的钢铁人 – 氧化锆陶瓷，为何独受智能手机青睐?
先认识断裂韧性或破裂韧性(Fracture toughness)
在评价脆性材料的强度有以断裂韧性这个名词来阐释脆性材料的破裂耐受度，这是最为恰当的物理量指标，注意到是脆性材料才用这个。
断裂韧性指的是对材料表面施加应力造成的裂痕(但修正因子必须找到正确的数值)，然后量测裂痕的长度和施加应力的数值来计算，其通用公式如下：
其中最简易的方式，则是以维克氏硬度(Vickers hardness)硬度测量方法相同的压痕法(Indentation method, IM)，来测得脆性材料的断裂韧性最为方便。
方法如下：将测试试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负载在受测材料的抛光表面，以维克氏硬度计的锥形金刚石压痕器对表面施加压力产生压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了裂纹，如下图所示。
▲维克氏硬度计压入脆性材料的压痕与裂痕示意图。a1和a2为硬度压痕长度，C1~C4为裂痕长度
一些脆性材料经过压痕产生的裂缝影像
根据压痕载荷P和平均压痕裂纹扩展长度C=(C1+C2+C3+C4)/4计算出断裂韧性数值（KIC）。 计算公式简化如下：
以上看不懂没关系，因为大多材料的数据都能通过互联网搜索找到。
我们从维基百科(Wiki)和文献中可以查到一些代表材料的断裂韧性。
部分常用材料的破断韧性数值
根据上述的公式和材料破断韧性的数据，各位读者就很容易明白：任何材料的物理性质评价都是有一种定性且定量的方法，而非那种无法测得的神祕说法，如”水晶磁场”说。
科学上的测试当然无法解释那些奇幻的商品，不在此评论，ACMT讲究的是具体科学论证的报导。那么，对于氧化锆或微晶锆等名词，也就不再那样的神秘了！
再来看看氧化锆的相转变特性，这关乎选择的材料是否合适
首先要知道氧化锆是一种多种结晶体相的材料，如下图是其晶体结构。
▲氧化锆的三种相型态，其中注意到正方晶相转变成单斜晶会有3~4%的体积增量。
所示在温度的作用下，晶体会改变其结构形式，会使体积有所改变。最有趣的是正方晶转变成单斜晶(Tetragonal phase change to Monoclinic phase)时必须吸收能量，同时会有3~4%的体积增加量(Volume increase)，这样就会出现一些很有趣的基理。
所以CMF设计师在选择材料时，要根据材料特性进行选择。比如
正方晶氧化锆，这是氧化锆存在的一种不安定性相，一般氧化锆粉末烧制制作成形后都以小于1um(微米)的正方晶这种不安定相晶体形式出现，而原料的来源本就是细微的纳米晶体颗粒。各位，请注意到这是氧化锆最重要的相，也就是一般市面称为微晶锆(Microcrystal Zirconia)，或是多晶态正方晶氧化锆(TZP, Tetragonal Zirconia Polycrystal)。我们会在氧化锆添加的第二相或第三相氧化物，除了要在比较低温下（℃）内快速的烧以节省能源，也藉由添加物安定正方晶氧化锆，获得完全的正方晶相以作为增韧效果。最常见的就是3Y-TZP, 5Y-TZP(其中Y代表氧化钇Y2O3，成分添加量以mol%比例。)
单斜晶氧化锆，正方晶氧化锆受力后会造成麻田散相转变，单斜晶相的锆氧共价因为应力或能量吸收滑移成特殊角度，类似于碳钢因为急速水冷造成淬火形成麻田散铁相的体积膨胀。很有趣的是，陶瓷材料中的氧化锆也有这种现象。
立方晶氧化锆，当烧结温度高过2320℃，或是在平常烧结到1450℃附近时由于添加物形成晶粒肥大超过5um以上，氧化锆由其他相转变成立方晶就变成全安定氧化锆，使氧化锆失去了增韧特性，请注意到我们在技术上要避免这相的出现。
既然提到了机理，就多说点，关于氧化锆增韧特性的三大机理
相变化增韧
正方晶转变成单斜晶至少有3~4%体积的增加量，除了吸收掉裂缝的能量之外，还会压紧裂缝，使裂缝无法扩展，这是一种很有趣的物理现象。请见下图。
▲当裂缝进入正方晶晶体相群中，裂缝附近的正方晶相吸收能量后相转变成为单斜晶，除了吸收了裂缝的能量，又因体积的膨胀迫使裂缝被挤压而缩小。
微裂缝 - 多晶界能量分散
由于正方晶相的晶界多，裂缝进入后沿着较弱的晶界分散其能量，除了相转变发生，众多晶界以及烧结后正方晶晶界留有微裂缝(Micro-crack)也诱导破裂能量因而消散。
▲ 多晶界的正方晶晶界诱导主要裂缝分散造成增韧特性
添加相直接停止裂缝延伸
这里分为两种添加相的强化增韧方式，这是传统复合材料的技术，裂缝遭到添加相的高硬度或高强度阻挡，使得裂缝行径被牵制而停止甚至偏转，如图所示。
▲ 左：第一添加相导致裂缝直接牵制而停止；右：由于第二添加相的阻挡使裂缝偏转行径并停止
终于说到CMF设计师感兴趣的了，来聊聊氧化锆被青睐的主要原因
一、高密度与丰富色彩
氧化锆依据添加物相不同，会出现5.6~6.0 g/c.c.的密度变化，加上因为烧结多采用液相烧结(Liquid Phase Sintering)而得到近似100%相对密度，因此抛光之后表面会呈现镜面，这点在装饰上有特别吸引人目光的特性。
加上高韧性与多种染色可能性，在智能手机和穿戴装置上便成为新宠，设计师采用陶瓷元素引领了设计风潮，造成一波波的流行。如下图就是氧化锆添加不同的高温釉料，可以出现不同的颜色。
▲由湖南正扬精密陶瓷有限公司所提供的有色氧化锆样板，调配的颜色可以和客户协商，做出不颜色的差异。(由于Dr. Q照相技术不佳加上位置取景灯光影响，并无法显示真实颜色)
注意纯白色氧化强度是最好，添加的颜色釉料会降低氧化强度，这是因为釉料造成叶香出现更多使正方晶氧化锆容易粗大化导致成为全安定相的立方晶氧化锆。
在Dr. Q于博士班年代()的研究，就已经证实可以采用氧化铝和高温釉料形成安定相尖晶石相，可以改善釉料对氧化锆变色的强度下降缺陷。
此外，由于氧化锆容易受到铁锈和杂质的污染形成点斑缺陷，一但出现这种问题，就把氧化锆以真空高温渗碳约1450℃/12小时，就可以获得黑色氧化锆，以黑色遮瑕来增加产品良率。
二、人体亲和性与化学安定性
氧化锆是安定的氧化物，抗氧抗酸硷，在人体接触上应用多，能抛亮且颜色丰富与珠宝搭配，可以制作成人工玉石和多颜色宝石，在化学环境中也有优异的表现。
三、高耐磨机械性质
氧化锆的单晶化就是锆钻，其硬度微莫氏硬度8~8.5，仅次于红宝石和钻石。由于硬度高耐磨性能好，被用来作为纺织零件的线拖架与辊、摩擦件，甚至高尔夫球头打击片、手表表壳与表链，都是早过智能穿戴装置的发展之前的事，也一直被使用。
四、高温耐火领域
由于氧化锆材料高熔点(Tm~2300℃)、抗高温钢水侵蚀之特性，早期应用于耐火零件，如炼钢业的钢水流嘴、喷嘴、阀门、高温纤维、高温镀层等。
五、电子特性领域
氧化锆的电性在十九世纪末即被注意到，研究添加不同氧化物使其在氧化锆中形成不同固溶体，使氧化锆産生离子电导(Ionic Conduction)效应，具有高温固态电解质的特性。
从高温的发热元件、磁动力能量産生器（magneto- hydrodynamic powder generator, MHD）的高温电极，到氧离子的传感器，以及常温态介电常数远高于玻璃和蓝宝石，作为智能手机的指纹辨识器都有其应用实例。
另外，由于氧化锆的绝缘特性和高介电常数，用在光纤套管与插芯，也是常用的材料，每年都有数亿支以上的需求(不过根据Dr. Q市场的调查，光纤套管和插芯价格很低)。
最后，回到开头关于氧化锆钢铁的称谓，在此还是提一下：不破是神话，请适材适用。
这样经过Dr. Q的解说，相信大家可以清楚的理解为何氧化锆被称为陶瓷中钢铁人，这是一种具有【钢铁金属具所拥有的麻田散相变化】的材料。
然而，Dr. Q也一在强调不要被商业手法的广告所误导，买的新陶瓷手机就拿来开摔，可以保证，机壳不破玻璃面板也会破，更难过的是陶瓷机壳一但破损，跟它的产出一样的难以修复，那就得不偿失了！
Dr. Q非常感谢中国的主机厂业者愿意勇敢的尝试新材料，但也疾呼诸位读者和设计师，陶瓷材料的加工不会是便宜的，适材适用才是重要的，使用陶瓷请注意脆性的限制！！感谢大家！！
来源：CMF设计军工。
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